蔡麗娜 陳大林

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磨床數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)值合理化配置

蔡麗娜 陳大林

(杭州杭機(jī)股份有限公司 杭州 311305)

在數(shù)控磨床的開發(fā)中，數(shù)控設(shè)備的選用是最關(guān)鍵的問題。針對(duì)不同類型的磨床、不同的加工工藝要求、生產(chǎn)批量以及磨床更新?lián)Q代的速度，介紹了數(shù)控設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)和功能配置，分析了選用數(shù)控設(shè)備時(shí)的難度及復(fù)雜性和慎重性，以滿足不同企業(yè)的使用環(huán)境和生產(chǎn)規(guī)模的需求。實(shí)踐證明，磨床系統(tǒng)配置是否合理將決定數(shù)控磨床的性價(jià)比和市場(chǎng)生命力。

磨床 數(shù)控系統(tǒng) 成本 效率

為了滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中工件型面復(fù)雜、精度要求高、更新快及無(wú)人化管理的要求，越來(lái)越多的磨床制造企業(yè)選擇了數(shù)控化的道路。由于進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)在核心技術(shù)、加工對(duì)象適應(yīng)性、操作系統(tǒng)人性化、網(wǎng)絡(luò)化和服務(wù)等方面明顯優(yōu)于國(guó)產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)和可編程控制器(智能PLC)，很多制造企業(yè)和用戶已對(duì)其產(chǎn)生了依賴性。不同種類磨床的工藝復(fù)雜程度存在著差異，不同規(guī)模的企業(yè)在生產(chǎn)管理方面的要求也不同，在系統(tǒng)功能的使用上有著不同程度的浪費(fèi)，出現(xiàn)機(jī)床成本居高不下、性價(jià)比不合理的局面。

1 數(shù)控磨床概述

數(shù)控磨床是由精密機(jī)械本體和數(shù)字控制系統(tǒng)組成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其基本工作原理是利用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的自動(dòng)控制。磨床本體包括床身、立柱、工作臺(tái)、磨頭、進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、砂輪修整裝置、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及輔助裝置等結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性，從而確保其工藝適應(yīng)性能和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力。常用的數(shù)字控制系統(tǒng)主要有計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)、可編程控制器(智能PLC)等。

CNC系統(tǒng)的基本工作原理是插補(bǔ)原理(即最小位移量的合成運(yùn)動(dòng))，主要由數(shù)控裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、位置檢測(cè)裝置、可編程邏輯控制器、NC程序處理裝置組成。數(shù)控裝置是控制核心，按所能實(shí)現(xiàn)的控制功能分為點(diǎn)位控制、直線控制和連續(xù)軌跡控制3類；驅(qū)動(dòng)裝置通常由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)組成，分開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)3種類型；可編程邏輯控制器作為輔助控制裝置，完成整個(gè)機(jī)床的邏輯控制；NC程序處理裝置完成工件加工程序的編制、輸入、存儲(chǔ)等操作?？删幊炭刂破?智能PLC)的基本工作原理是通過(guò)輸出指定數(shù)量、方向和頻率的脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的位置控制或速度控制，主要由CPU單元和驅(qū)動(dòng)裝置組成；機(jī)床邏輯控制、伺服電動(dòng)機(jī)控制、自動(dòng)加工循環(huán)均由CPU單元中的用戶程序?qū)崿F(xiàn)；驅(qū)動(dòng)裝置分開環(huán)和半閉環(huán)兩種類型，開環(huán)裝置由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成，半閉環(huán)裝置由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)組成。

磨床的種類較多，按加工精度可分為普通級(jí)、精密級(jí)和高精密級(jí)磨床；按磨削工件類型可分為平面、外圓、內(nèi)圓、端面、成型、工具等磨床。下面以平面磨床和成型磨床為例，對(duì)磨床數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)值合理化配置提出一些建議，供大家參考。

2 數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)值合理化配置

2.1 低端配置

2.1.1 應(yīng)用背景

用于磨削平面零件、簡(jiǎn)單直線定位、循環(huán)動(dòng)作固定且批量較大的生產(chǎn)時(shí)，為了提高生產(chǎn)工效，實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)管理，可采用可編程控制器(智能PLC)加伺服裝置的配置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，并達(dá)到普通級(jí)精度要求。以臥軸矩臺(tái)平面磨床為例，其加工特點(diǎn)是用砂輪周邊磨削工件的上表面，只需對(duì)磨頭垂直進(jìn)刀軸進(jìn)行定位控制。磨床結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.2 配置實(shí)例

控制系統(tǒng)組件：可編程控制器(OMRON CJ2M PLC)＋位置控制裝置(脈沖I/O模塊)＋軸伺服電動(dòng)機(jī)＋ NS觸摸屏＋其他配套裝置，系統(tǒng)連接框圖如圖2所示。

圖1 臥軸矩臺(tái)平面磨床Y軸向控制

圖2 控制系統(tǒng)框圖

為控制成本，其他沒有定位精度要求的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如磨頭橫向進(jìn)出可由變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)可由液壓泵驅(qū)動(dòng)。該磨床的自動(dòng)加工循環(huán)通過(guò)PLC程序完成，將磨削進(jìn)刀量折算成脈沖，利用脈沖輸出指令將指定數(shù)量、方向和頻率的脈沖發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。磨床使用者只能在DM區(qū)修改指令(加工)參數(shù)，不能修改自動(dòng)循環(huán)程序。機(jī)床控制流程及 PLC程序如圖3所示。

（a）伺服軸控制流程圖

（b）粗磨程序

圖3 磨床控制流程及PLC程序

2.1.3 特點(diǎn)

以上所述的平面磨床采用可編程控制器配置，成本低于CNC數(shù)控系統(tǒng)，但在可靠性和生產(chǎn)效率上完全可以滿足生產(chǎn)要求。

2.2 中檔配置

2.2.1 應(yīng)用背景

用于磨削多種平面形式、工件尺寸多變、小批量加工方式和精度要求為精密級(jí)的生產(chǎn)時(shí)，可編程控制器由于控制彈性不足，只能做有針對(duì)性、變化動(dòng)作小的項(xiàng)目，整體生產(chǎn)效率比較低，不是理想的選擇。相對(duì)而言，采用經(jīng)濟(jì)型CNC數(shù)控系統(tǒng)更加適用，如圖4所示的臥軸矩臺(tái)平面磨床，為完成對(duì)斜面的磨削，需要對(duì)磨頭進(jìn)行垂直進(jìn)給的軸和橫向進(jìn)給的軸進(jìn)行插補(bǔ)控制。

圖4 臥軸矩臺(tái)平面磨床Y軸和Z軸控制

2.2.2 配置實(shí)例

控制系統(tǒng)組件如圖5所示。SIEMENS 808D控制單元＋伺服驅(qū)動(dòng)器＋垂直與橫向伺服電動(dòng)機(jī)＋變頻器＋主軸交流電動(dòng)機(jī)。

圖5 控制系統(tǒng)連接框圖

為控制成本，沒有定位精度要求的工作臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)由液壓泵驅(qū)動(dòng)。

該磨床的自動(dòng)循環(huán)加工通過(guò)NC程序完成。磨床使用者可根據(jù)加工需要隨意編寫加工程序，磨床控制流程如圖6所示。

工件磨削時(shí)砂輪進(jìn)給軌跡，如圖7所示。

圖7 砂輪進(jìn)給軌跡

加工程序舉例如下：

“G91 G01=-2*COS(1)=2*SIN(1)=6；垂直于斜面進(jìn)刀

…

G91 G01=3*SIN(1)=3*COS(1)=7；平行于斜面進(jìn)刀”

程序中的進(jìn)給率是砂輪軌跡速度，軸、軸速度是在坐標(biāo)軸上的分量。CNC控制砂輪沿、軸以一系列密集折線的形式去逼近目標(biāo)斜線，完成斜面加工。斜面的角度與長(zhǎng)度可在一定范圍內(nèi)任意指定，具有較大的靈活性。

2.2.3 系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)配置屬于半閉環(huán)控制模式，調(diào)試方便，控制特性比較穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)各軸進(jìn)給系統(tǒng)的環(huán)路誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并采用模擬主軸實(shí)現(xiàn)恒線速控制，可獲得比較滿意的加工精度。加上CNC系統(tǒng)編程靈活的特點(diǎn)，對(duì)于小批量加工方式的普通級(jí)或精密級(jí)平面磨床來(lái)說(shuō)，是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。

2.3 高檔配置實(shí)例

2.3.1 應(yīng)用背景

用于磨削復(fù)雜型面的精密零件時(shí)，對(duì)精度及穩(wěn)定性要求很高，需通過(guò)絕對(duì)坐標(biāo)定位、全閉環(huán)控制、在線連續(xù)修整、一次磨削成型等功能來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝要求，如圖8所示橫截面為齒形面、縱向?yàn)楣男蔚墓ぜ?，?shù)控系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的配置來(lái)滿足其加工要求。

圖8 復(fù)雜型面工件的磨削

2.3.2 配置實(shí)例

控制系統(tǒng)組件：FANUC 0i-MD系統(tǒng)＋伺服驅(qū)動(dòng)器＋SP伺服主軸電動(dòng)機(jī)＋工作臺(tái)縱向進(jìn)給軸伺服電動(dòng)機(jī)(帶絕對(duì)值編碼器)＋磨頭垂直進(jìn)給軸伺服電動(dòng)機(jī)(帶絕對(duì)值編碼器)＋修整滾輪垂直進(jìn)給軸伺服電動(dòng)機(jī)(帶絕對(duì)值編碼器)＋數(shù)控分度頭軸伺服電動(dòng)機(jī)(帶絕對(duì)值編碼器)＋、軸絕對(duì)式直線光柵尺＋軸絕對(duì)式角度編碼器。各進(jìn)給軸由伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接傳動(dòng)滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)，砂輪旋轉(zhuǎn)由主軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。由于砂輪線速度恒定，所以頂置修整滾輪不需隨時(shí)變速，由變頻電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)即可。FANUC 0i-MD系統(tǒng)最多可以控制5個(gè)軸，包括3個(gè)進(jìn)給軸、1個(gè)附加軸和1個(gè)主軸，系統(tǒng)使用率100%。

磨床結(jié)構(gòu)圖及系統(tǒng)連接框圖如圖9所示。

（a） 磨床結(jié)構(gòu)示意圖

工件自動(dòng)加工通過(guò)NC程序完成，機(jī)床使用者可以根據(jù)需要編寫加工程序及修改加工參數(shù)。工件加工軌跡如圖10所示，加工程序見表1。

圖10 工件加工軌跡

表1 加工程序

加工圖中尺寸符號(hào)說(shuō)明加工程序中的變量號(hào) L：工件弦長(zhǎng)（手動(dòng)輸入）#500 L3：磨削起點(diǎn)X越程量（手動(dòng)輸入）#501 H：工件弧高目標(biāo)值（手動(dòng)輸入），H﹤﹤L#502 H0：磨除量（手動(dòng)輸入）#503 R1：磨削起點(diǎn)砂輪半徑（手動(dòng)輸入）#504 H3：砂輪在線修整量H3﹤﹤R1（手動(dòng)輸入）#505 CX0：對(duì)刀點(diǎn)X坐標(biāo)（手動(dòng)輸入）#506 CY0：對(duì)刀點(diǎn)Y坐標(biāo)（手動(dòng)輸入）#507 CV0：對(duì)刀點(diǎn)V坐標(biāo)（手動(dòng)輸入）#508 V1：圓弧插補(bǔ)速度（手動(dòng)輸入）#509 V2：砂輪線速度（手動(dòng)輸入）#510 R：工件圓弧半徑目標(biāo)值（計(jì)算得到）R=H/2+L∧2/（8×H）#511 R2：磨削終點(diǎn)砂輪半徑（計(jì)算得到）R2=R1-H3#512 CX1：磨削起點(diǎn)X坐標(biāo)（計(jì)算得到）CX1=CX0+L1#513 CY1：磨削起點(diǎn)Y坐標(biāo)（計(jì)算得到）CY1=CY0-[（R1+H0+R）-H1]#514 CV1：磨削起點(diǎn)V坐標(biāo)（計(jì)算得到）CV1=CV0#508 CX2：磨削終點(diǎn)X坐標(biāo)（計(jì)算得到）CX2=CX0-L2#516 CY2：磨削終點(diǎn)Y坐標(biāo)（計(jì)算得到）CY2=CY0-[（R1+H0+R）-H2]#517 CV2：磨削終點(diǎn)V坐標(biāo)（計(jì)算得到）CV2=CV0-（R1-R2）#518

加工程序舉例(計(jì)算過(guò)程略)：

G90 G00[#507＋10][#508＋10]

M11；修整滾輪啟動(dòng)

#100=60000*#510/[2*3.142*#504]

M3 S#100；砂輪啟動(dòng)

G04 P10000

G90 G00#513

#514#508

G17 G03#516#517[#511＋#504]#518 F#509；磨削及在線修整

#504=#504-#505；砂輪半徑補(bǔ)償

#508=#508-#505；下一次的修整對(duì)刀點(diǎn)

；退刀、停機(jī)指令略

M2

2.3.3 特點(diǎn)

該系統(tǒng)配置屬于全閉環(huán)控制模式，位置控制精度很高。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。這類系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的硬件要求很高，主要用于高精度和大型數(shù)控機(jī)床。

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)數(shù)控磨床進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以滿足加工工藝與生產(chǎn)管理的需要為宗旨。通常需要考慮以下幾個(gè)方面：(1)工藝要求；(2)企業(yè)的使用環(huán)境、生產(chǎn)規(guī)模；(3)數(shù)控設(shè)備的可靠性、性價(jià)比；(4)設(shè)備廠家的維修服務(wù)網(wǎng)絡(luò)；(5)質(zhì)量保證體系；(6)市場(chǎng)占有率等。在為磨床配置數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮以上各個(gè)方面，力求實(shí)現(xiàn)機(jī)床成本、生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率的最優(yōu)化配置。